(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有する炭素−炭化ケイ素複合材であって、
前記炭化ケイ素層は３次元網目構造を有する界面層であり、
曲げ強度が５０ＭＰａ以上、ショア硬さがＨＳＤ３０以下であることを特徴とする、炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項２】
前記炭化ケイ素層の割合が、２０〜７０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項３】
かさ密度が、１．９０ｇ／ｃｍ３以上、２．２０ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項４】
前記炭化ケイ素層の厚さが、１００ｎｍ〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項５】
炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項６】
前記炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径が、５０ｎｍ〜５００μｍの範囲であることを特徴とする請求項５に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【請求項７】
前記炭化ケイ素被覆層の厚さが、５０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項５または６に記載の炭素−炭化ケイ素複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素と炭化ケイ素とが複合した炭素−炭化ケイ素複合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素と炭化ケイ素とを複合した炭素−炭化ケイ素複合材については、種々検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、微粉化された炭化ケイ素粒子及び炭素粒子を混合し、高温高圧で所望の形状に焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、加圧成形した炭素繊維の成形体にシリコンを溶融含浸することにより、炭素−炭化ケイ素複合体を製造する方法が開示されている。
【０００５】
炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素を含むものであるため硬度が高く、所望の形状に加工するのが困難であるという問題があった。加工性を改善するため、硬度を下げると、曲げ強度などの機械的強度が低下するという問題を生じる。
【０００６】
従って、良好な加工性と高い強度は、相反する性質であり、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材は従来より得ることが困難であった。
【０００７】
特許文献３においては、基材の炭素をケイ素成分と反応させることにより、炭素粒子表面に、炭化ケイ素を形成した炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造する方法が開示されている。しかしながら、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材に関しては、何ら開示されておらず、その示唆もなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３３９０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−２９０６７０号公報
【特許文献３】特開２０１１−５１８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有する炭素−炭化ケイ素複合材であって、曲げ強度が５０ＭＰａ以上、ショア硬さがＨＳＤ５０以下であることを特徴としている。
【００１１】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材において、炭化ケイ素層の割合は、２０〜７０重量％の範囲であることが好ましい。
【００１２】
また、かさ密度は、１．９０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
【００１３】
炭化ケイ素層の厚さは、１００ｎｍ〜２０μｍの範囲であることが好ましい。
【００１４】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られるものであることが好ましい。
【００１５】
炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径は、５０ｎｍ〜５００μｍの範囲であることが好ましい。
【００１６】
炭化ケイ素被覆層の厚さは、５０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に従う一実施形態における炭素−炭化ケイ素複合材を示す模式的断面図。
【図２】炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を示す模式的断面図。
【図３】本発明に従う実施例における炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造するための坩堝内の配置状態を示す模式的断面図。
【図４】本発明に従う実施例１に用いた原料１のＸ線回折パターンを示す図。
【図５】本発明に従う実施例２に用いた原料２のＸ線回折パターンを示す図。
【図６】本発明に従う参考例に用いた原料３のＸ線回折パターンを示す図。
【図７】比較例１に用いた原料４のＸ線回折パターンを示す図。
【図８】比較例２に用いた原料５のＸ線回折パターンを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明に従う一実施形態の炭素−炭化ケイ素複合材を示す模式的断面図である。図１に示すように、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材１は、炭素粒子２の周りに、炭化ケイ素層３を有しており、炭素粒子２同士が、炭化ケイ素層３を介して接合した構造を有している。炭化ケイ素層３は、３次元の網目状に連続して、炭素−炭化ケイ素複合材１内に設けられている。炭素粒子２の周りに設けられている炭化ケイ素層３は、連続して均一な厚みで形成されている。
【００２０】
さらに、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子２同士が炭化ケイ素層３を介して接合した構造を有しているので、高い曲げ強度を有する一方で、低いショア硬さを有することができる。上述のように、一般には、曲げ強度が高くなると、ショア硬さも上昇するが、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材においては、高い曲げ強度と、低いショア硬さを併存させることができる。
【００２１】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、曲げ強度が５０ＭＰａ以上であり、ショア硬さがＨＳＤ５０以下である。このような曲げ強度及びショア硬さを有することにより、高い強度を有するとともに、加工性に優れた炭素−炭化ケイ素複合材とすることができる。
【００２２】
本発明において、曲げ強度は、５０ＭＰａ以上である。曲げ強度が５０ＭＰａ未満になると、炭素−炭化ケイ素複合材の機械的強度が不十分となる。曲げ強度は、５０〜３００ＭＰａの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、６０〜２５０ＭＰａの範囲である。  
【００２３】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、ショア硬さがＨＳＤ５０以下である。ショア硬さが５０を超えると、良好な加工性が得られない。ショア硬さは、ＨＳＤ２０〜５０の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、ＨＳＤ２５〜４５の範囲である。
【００２４】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、上記の曲げ強度及びショア硬さを有しているので、加工性に優れており、加工後においても、割れ等を生じにくい。従って、加工性および強度に優れた構造材とすることができる。
【００２５】
また、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭素粒子同士が、炭化ケイ素層を介して接合した構造を有しているので、切削加工等により、新たに表れる面は、ほぼ均一であるため、物性に大きなばらつきがない。このため、加工しても、表面において性能の差はほとんど生じない。
【００２６】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素層の割合が、２０〜７０重量％の範囲であることが好ましい。炭化ケイ素層の割合が、２０重量％未満であると、炭化ケイ素層の強度が弱くなる可能性があり、材料としての強度も低下する可能性がある。
【００２７】
また、炭化ケイ素層の割合が７０重量％を超えると、炭素自体の割合が小さすぎるために、炭素の特性が発現しにくくなる。
【００２８】
炭化ケイ素層の割合は、２５〜６５重量％の範囲であることがさらに好ましく、特に好ましくは、３０〜５５重量％の範囲である。
【００２９】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材のかさ密度は、１．９０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。かさ密度が１．９０ｇ／ｃｍ３未満であると、相対的に密に詰まった構造とならず、強度が低下する恐れがある。
【００３０】
かさ密度は、１．９５〜２．８０ｇ／ｃｍ３の範囲であることがさらに好ましく、特に好ましくは２．０５〜２．７０ｇ／ｃｍ３の範囲である。
【００３１】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材において、炭化ケイ素層の厚さは、１００ｎｍ〜２０μｍの範囲であることが好ましい。
【００３２】
炭化ケイ素層の厚さが薄すぎると、炭化ケイ素層の強度が低下する可能性がある。
【００３３】
炭化ケイ素層の厚さが厚すぎると、炭素の良好な特性が発現しにくくなる場合がある。
【００３４】
本発明の炭素−炭化ケイ素複合材は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を焼結することにより得られもるのであることが好ましい。炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を用いて焼結することにより、炭素粒子の周りに均一な炭化ケイ素層を有する炭素−炭化ケイ素複合材を得ることができる。このため、加工性に優れ、かつ強度の高い炭素−炭化ケイ素複合材を容易に製造することができる。
【００３５】
図２は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を示す模式的断面図である。図２に示すように、炭化ケイ素被覆炭素粒子１２は、炭素粒子１０の表面に炭化ケイ素被覆層１１を有している。
【００３６】
図２に示すような炭化ケイ素被覆炭素粒子１２は、例えば、炭素粒子１０に、ケイ素成分を反応させることにより、表面の炭素を炭化して炭化ケイ素を形成することにより製造することができる。このように基材の炭素を反応源としてケイ素成分と反応させることにより、炭化ケイ素に転化する方法を、ＣＶＲ法という。例えば、特許文献３においては、このようなＣＶＲ法を用いて、図２に示すような炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造している。特許文献３に開示された方法を用いて製造した炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を用いて、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材を形成してもよい。
【００３７】
上記ＣＶＲ法では、例えば、温度１４００℃〜１６００℃、圧力１〜１５０Ｐａの雰囲気中で、炭素粒子の表面と、ＳｉＯガスを反応させて炭素粒子の表面に炭化ケイ素被覆層を形成することができる。
【００３８】
炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の平均粒子径は、５０ｎｍ〜５００μｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、１μｍ〜２５０μｍの範囲であり、特に好ましくは、５μｍ〜１００μｍの範囲である。
【００３９】
平均粒子径が小さすぎると、充分な炭化ケイ素層を持つ炭素粒子とならない可能性が有る。従って炭化ケイ素層の強度低下を招き、炭素−炭化ケイ素複合材の強度が得られない。
【００４０】
平均粒子径が大きすぎると、焼結時に充分な密度が得られず、焼成した炭素−炭化ケイ素複合材の強度が低下する場合がある。
【００４１】
炭化ケイ素被覆層の厚さは、５０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、２００ｎｍ〜１０μｍの範囲であり、特に好ましくは、５００ｎｍ〜５μｍの範囲である。炭化ケイ素被覆層の厚さが薄すぎると、炭素粒子−炭素粒子間の接合強度が小さくなってしまい、材料全体の強度が低下する可能性があり、炭化ケイ素被覆層の厚さが厚すぎると、相対密度が高い緻密な炭素−炭化ケイ素複合材が得られない可能性がある。
【００４２】
図３は、炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子をＣＶＲ法で製造するための坩堝内の配置状態を示す模式的断面図である。図３に示すように、黒鉛製坩堝２１内に、カーボンシート２２を配置し、その上にＳｉＯ源として、ＳｉＯ粉末２３を配置する。ＳｉＯ粉末２３の上に、カーボンフェルト２４を配置し、カーボンフェルト２４の上に、炭素粒子２５を配置する。炭素粒子２５の上に、カーボンフェルト２６を配置し、その上にカーボンシート２７を配置する。
【００４３】
黒鉛製坩堝２１に代えて、アルミナ製坩堝を用いてもよい。
【００４４】
図３に示すように配置した黒鉛製坩堝２１を、焼成炉内に配置し、焼成炉内を排気し、加熱することにより、黒鉛製坩堝２１内を所定の温度及び所定の圧力に加熱及び排気する。
【００４５】
黒鉛製坩堝２１を所定の圧力に排気し、所定の温度に加熱することにより、ＳｉＯ粉末からＳｉＯガスが発生し、このＳｉＯガスが炭素粒子の表面と反応することにより、炭素粒子の表面が炭化ケイ素に転化し、ＣＶＲ法により炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子を製造することができる。
【００４６】
本発明における炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子は、上記のＣＶＲ法により製造されるものに限定されず、他の方法で製造してもよい。例えば、炭化ケイ素層を、気相法、液相法、機械的混合法、またはこれらを組み合わせた方法により、炭素粒子の表面に形成することにより製造してもよい。例えば、炭素粒子を、炭化ケイ素粒子のスラリー中に添加することにより、炭素粒子の表面に炭化ケイ素粒子を付着させ、炭化ケイ素層を形成してもよい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４８】
〔炭化ケイ素被覆層を有する炭素粒子の製造〕
図３に示す黒鉛製坩堝２１を用いて、上述のようにして、黒鉛製坩堝２１内に、ＳｉＯ粉末２３及び炭素粒子２５を配置し、表１に示す原料仕込み量及び反応条件で、ＣＶＲ法により、炭化ケイ素層を有する炭素粒子（以下、「炭化ケイ素被覆炭素粒子」という）を製造した。ＳｉＯ粉末としては、平均粒子径２〜６μｍのＳｉＯ顆粒を用いた。炭素粒子としては、平均粒子径２０μｍの球状黒鉛粒子を用いた。
【００４９】
表１に示す反応条件の雰囲気における「Ｖａｃ．」は、減圧雰囲気を意味しており、具体的には、真空ポンプを用いて３０Ｐａ以下まで減圧したことを示す。また、「Ａｒ」は、アルゴン雰囲気を意味している。また、原料仕込み量における「Ｃ量」及び「ＳｉＯ量」は、黒鉛粒子のＣのｍｏｌ量及びＳｉＯ粉末におけるＳｉのｍｏｌ量を示している。
【００５０】
【表１】
0005748586.tif 000002
【００５１】
表１に示す条件で、原料１〜原料５の炭化ケイ素被覆炭素粒子が得られた。
【００５２】
炭化ケイ素被覆炭素粒子の平均粒子径は、原料１〜５が全て２０μｍであった。
【００５３】
また、炭化ケイ素被覆炭素粒子における炭化ケイ素被覆層の厚さは、原料１が６００ｎｍ、原料２が１．５μｍ、原料３が２．５μｍ、原料４が１５０ｎｍ、原料５が７μｍであった。
【００５４】
図４〜図８は、上記のようにして得られた原料１〜原料５のＸ線回折パターンを示す図である。図４は原料１、図５は原料２、図６は原料３、図７は原料４、図８は原料５を示している。なお、各図における縦軸はピーク強度を示すものであり、任意単位である。
【００５５】
表１に示す「ＳｉＣ被覆量」は、炭化ケイ素被覆炭素粒子における、炭化ケイ素被覆層の被覆割合を示している。ＳｉＣ被覆量は、Ｘ線回折の検量線から求めた値である。
【００５６】
〔炭素−炭化ケイ素複合材の製造〕
上記の原料１〜原料５の炭化ケイ素被覆炭素粒子を用いて、以下のようにして炭素−炭化ケイ素複合材を製造した。
【００５７】
炭化ケイ素被覆炭素粒子を、大電流放電接合装置（住友石炭工業社製、「ＳＰＳ−１０５０」）を用い、加圧焼結することにより、炭素−炭化ケイ素複合材を製造した。この装置を用いることにより、放電プラズマ焼結(パルス通電焼結)で焼結させることができる。放電プラズマ焼結は、電流による直接加熱に加え、パルス通電による電流衝撃を発生させ、通常より低温で粉体を焼結させることができる。
【００５８】
ここでは、３０ＭＰａに加圧した状態で、２０００℃の温度で、５分間加熱を保持することにより、焼結させた。
【００５９】
実施例１は原料１を、実施例２は原料２を、参考例は原料３を、比較例１は原料４を、比較例２は原料５を用いて焼結体を製造した。
【００６０】
比較例３は、炭化ケイ素被覆炭素粒子を用いずに、元の炭素粒子と、炭化ケイ素粉末（平均粒子径６００ｎｍ）とを、炭化ケイ素含有量が５５重量％となるように混合した混合粉末を用いて焼結体を作製した。
【００６１】
得られた焼結体について、以下のようにして、かさ密度、曲げ強度、及びショア硬さを測定した。
【００６２】
なお、得られた焼結体は、図１に示すように、炭素粒子同士が炭化ケイ素層を介して接合した構造を有しており、炭化ケイ素層の厚さは、実施例１が１２００ｎｍ、実施例２が３．０μｍ、参考例が５．０μｍ、比較例１が３００ｎｍ、比較例２が１４μｍであった。
【００６３】
なお比較例３においては、図１に示すような構造は、認められず、３次元の網目状の連続した炭化ケイ素層は観察されなかった。
【００６４】
〔かさ密度の測定〕
アルキメデス法により、かさ密度を測定した。具体的には、ＪＩＳ  Ａ１５０９−３に基づき測定した。
【００６５】
〔曲げ強度の測定〕
焼結体の３点曲げ強度を測定した。得られた焼結体を、厚み約２ｍｍ×幅約３ｍｍ×長さ約２０ｍｍに加工し、試料片とした。この試料片を、卓上小型汎用試験機（島津製作所製、「ＥＺ−Ｔｅｓｔ  Ｔｙｐｅ  Ｌ」）を用い、荷重速度０．１ｍｍ／秒で、破断時の曲げ強度を測定した。
【００６６】
〔ショア硬さの測定〕
得られた焼結体について、硬さ試験機ショア式Ｄ型（仲井精機製作所製、型番２０３０９）を用いて、ショア硬さを測定した。１つの試験片に対し５点測定し、測定値の最大値及び最小値を除いた３点の平均値を、ショア硬さとした。
【００６７】
測定結果を表２に示す。
【００６８】
【表２】
0005748586.tif 000003
【００６９】
原料１〜原料３を用いた実施例１及び２並びに参考例においては、曲げ強度が５０ＭＰａ以上であり、ショア硬さがＨＳＤ５０以下である炭素−炭化ケイ素複合材を得ることができた。
【００７０】
比較例１においては、ショア硬さがＨＳＤ５０以下であるが、曲げ強度が５０ＭＰａ未満であった。また、比較例２においては、ショア硬さがＨＳＤ５０より高い値であった。
【００７１】
比較例３は、炭素粒子の焼結がうまくできず、非常に脆性の炭素−炭化ケイ素複合材であったため、試験片を作成することができず測定不能であった。
【００７２】
また、別の参考例として、特許文献３の実施例に開示された条件で焼結体を作製した。具体的には、４０ＭＰａに加圧した状態で、２０００℃の温度で、２０分間加圧して焼結体を作製したところ、ショア硬さはＨＳＤ５９であり、５０より高い値であった。
【００７３】
従って、本発明の炭素−炭化ケイ素複合材におけるショア硬さは、例えば、焼結時間を短くすることにより、ショア硬さをＨＳＤ５０以下に制御できることがわかる。
【００７４】
〔加工性の評価〕
実施例１及び２並びに参考例及び比較例１〜２の炭素−炭化ケイ素複合材について、以下のようにして加工性を評価した。
【００７５】
得られた炭素−炭化ケイ素複合材に０．５ｍｍ幅のねじ山を有する穴を形成した。実施例１及び２並びに参考例では、切削工具を用いてねじ山が割れることなく形成でき、ねじ穴にねじを螺合させたところ、ねじ山が割れることなく繰り返しねじの螺合することができた。これに対して、比較例１では、ねじ山が割れてしまい、加工性が悪く実用性に欠けるものであり、さらに、形成したねじ穴にねじを螺合させたところ、ねじ山がさらに崩れ、強度が弱く、実用性に欠けるものであった。また、比較例２では、硬すぎるため、上記一般的な切削工具で加工することができなかった。
【符号の説明】
【００７６】
１…炭素−炭化ケイ素複合材
２…炭素粒子
３…炭化ケイ素層
１０…炭素粒子
１１…炭化ケイ素被覆層
１２…炭化ケイ素被覆炭素粒子
２１…黒鉛製坩堝
２２…カーボンシート
２３…ＳｉＯ粉末
２４…カーボンフェルト
２５…炭素粒子
２６…カーボンフェルト
２７…カーボンシート
【図１】
0005748586.tif 000004
【図２】
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【図３】
0005748586.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005748586.tif 000011